JP6380854B2 - Negative electrode active material for sodium ion secondary battery, method for producing the same, and sodium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本願は、ナトリウムイオン二次電池用負極活物質、その製造方法およびナトリウムイオン二次電池に関する。 The present application relates to a negative electrode active material for a sodium ion secondary battery, a manufacturing method thereof, and a sodium ion secondary battery.
近年、電気自動車、ハイブリッド自動車およびプラグインハイブリッド自動車等の輸送機器、また、家庭用および商業用の大型蓄電デバイスの電源として、二次電池の需要が増大している。それら電源として、リチウム二次電池が広く用いられている。リチウム二次電池では電荷担体にリチウムイオンを用いる。しかし、リチウムはレアメタルで有り、高価であることに加えて、産出量が少ないという問題がある。 In recent years, the demand for secondary batteries has increased as a power source for transportation equipment such as electric vehicles, hybrid vehicles, and plug-in hybrid vehicles, and large-sized power storage devices for home use and commercial use. Lithium secondary batteries are widely used as these power sources. Lithium secondary batteries use lithium ions as charge carriers. However, lithium is a rare metal, and in addition to being expensive, there is a problem that the output is small.
新しい二次電池として、ナトリウムイオン二次電池の研究が行われている。ナトリウムイオン二次電池では電荷担体にナトリウムイオンを用いる。ナトリウムは、リチウムに比べて、豊富に存在し、また安価に入手できることから、低コストかつ大型化が可能な二次電池として注目されている。しかしながら、従来、ナトリウムイオン二次電池の負極活物質として、リチウム二次電池の負極活物質として使用可能とされている材料(例えば黒鉛などの黒鉛化度の高い構造の炭素材料)を、そのまま使用しても十分な性能を有するナトリウムイオン二次電池を実現することが非常に困難であることが知見されていた(特許文献1参照)。このため、ナトリウムイオン二次電池の実用化に向けて、正負極材料、とりわけ高容量な負極材料が要望され、開発が行われている。 As a new secondary battery, research on a sodium ion secondary battery has been conducted. Sodium ion secondary batteries use sodium ions as charge carriers. Sodium is more abundant than lithium and is available at a low price. Therefore, sodium is drawing attention as a secondary battery that can be manufactured at low cost and can be increased in size. However, conventionally, a material that can be used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery (for example, a carbon material having a high degree of graphitization such as graphite) is used as it is as a negative electrode active material of a sodium ion secondary battery. Even so, it has been found that it is very difficult to realize a sodium ion secondary battery having sufficient performance (see Patent Document 1). For this reason, positive and negative electrode materials, particularly high-capacity negative electrode materials, have been demanded and developed for practical use of sodium ion secondary batteries.
例えば特許文献1には、ナトリウムイオン二次電池の負極活物質として、非晶質のガラス状炭素材料を用いることが提案されている。これにより、最大で265mAh/gの単位重量あたり放電容量密度が得られることが報告されている。 For example, Patent Document 1 proposes using an amorphous glassy carbon material as a negative electrode active material of a sodium ion secondary battery. Thereby, it is reported that a discharge capacity density per unit weight of 265 mAh / g can be obtained at the maximum.
また、特許文献2には、ある特定の電解液添加剤を含む非水電解液を用いたナトリウムイオン二次電池において、負極活物質としてハードカーボンを用いることが記載されている。これにより、最大で約250mAh/gの単位重量あたり放電容量密度が得られることが報告されている。 Patent Document 2 describes that hard carbon is used as a negative electrode active material in a sodium ion secondary battery using a non-aqueous electrolyte containing a specific electrolyte additive. Thus, it has been reported that a discharge capacity density per unit weight of about 250 mAh / g at maximum can be obtained.
従来のナトリウムイオン二次電池では、単位体積あたりの放電容量がより高い負極活物質が求められていた。 In a conventional sodium ion secondary battery, a negative electrode active material having a higher discharge capacity per unit volume has been demanded.
本願の限定的ではない例示的なある実施形態は、単位体積あたりの放電容量がより高いナトリウムイオン二次電池用負極活物質、その製造方法およびそれを用いたナトリウムイオン二次電池を提供する。 One non-limiting exemplary embodiment of the present application provides a negative electrode active material for a sodium ion secondary battery having a higher discharge capacity per unit volume, a method for producing the same, and a sodium ion secondary battery using the same.
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、表面まで連通した複数の開孔と、前記表面まで連通しない複数の閉孔と、炭素材料からなる固体部とを有する前記多孔性炭素材料を含み、前記固体部の(002)面間距離が0.340nm以上0.410nm以下であり、前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の閉孔の容積比率が0%以上10%以下であり、前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の開孔の容積比率が0%以上50%以下であるナトリウムイオン二次電池用負極活物質を含む。 In order to solve the above-described problem, one aspect of the present invention is the porous carbon material having a plurality of openings communicating to the surface, a plurality of closed holes not communicating to the surface, and a solid portion made of a carbon material. The distance between the (002) planes of the solid part is 0.340 nm or more and 0.410 nm or less, and the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the plurality of closed holes with respect to the volume sum of the solid part Sodium ion having a volume ratio of 0% or more and 10% or less, and a volume ratio of the plurality of openings to the volume sum of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the solid portion is 0% or more and 50% or less Includes a negative electrode active material for a secondary battery.
本発明の一態様によると、単位体積あたりの容量が大きいナトリウムイオン二次電池用負極活物質を提供する。また、高容量なナトリウムイオン二次電池を実現することができる。 According to one embodiment of the present invention, a negative electrode active material for a sodium ion secondary battery having a large capacity per unit volume is provided. In addition, a high-capacity sodium ion secondary battery can be realized.
本願発明者は特許文献1および特許文献2に開示された技術を、詳細に検討した。特許文献1および2は、ナトリウムイオン二次電池用の負極活物質としてガラス状炭素およびハードカーボンには、体積あたり充放電容量密度が低いという問題がある。特に特許文献2に記載のハードカーボンについては、その見かけ密度が2g/cc以下と小さいので、十分な単位体積あたりの放電容量が得られない。 The inventor of the present application has examined the techniques disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 in detail. In Patent Documents 1 and 2, glassy carbon and hard carbon as a negative electrode active material for a sodium ion secondary battery have a problem of low charge / discharge capacity density per volume. In particular, the hard carbon described in Patent Document 2 has a small apparent density of 2 g / cc or less, so that a sufficient discharge capacity per unit volume cannot be obtained.
また、特許文献1、2は、ナトリウムイオン二次電池の負極活物質として、ガラス状炭素やハードカーボンが使用可能であると記載しているが、より詳細に、ガラス状炭素やハードカーボンのどのような炭素構造がナトリウムの充放電容量に影響を与えるかについて開示されていない。 Further, Patent Documents 1 and 2 describe that glassy carbon and hard carbon can be used as the negative electrode active material of the sodium ion secondary battery. It is not disclosed whether such a carbon structure affects the charge / discharge capacity of sodium.
本願発明者らは、ナトリウムイオン二次電池用負極活物質として炭素材料に着目し、さまざまな炭素材料の構造解析と、それら炭素材料とナトリウムイオンとの反応性を検討した。この結果、特定の構造の炭素材料が、ナトリウムイオン二次電池用負極活物質として、従来よりも大きな体積あたり容量密度を示すことを見出した。 The inventors of the present application paid attention to carbon materials as a negative electrode active material for sodium ion secondary batteries, and examined the structural analysis of various carbon materials and the reactivity between these carbon materials and sodium ions. As a result, it has been found that a carbon material having a specific structure exhibits a larger capacity density per volume than the conventional one as a negative electrode active material for a sodium ion secondary battery.
本発明の一態様の概要は以下のとおりである。 The outline of one embodiment of the present invention is as follows.
本発明の一態様であるナトリウムイオン二次電池用負極活物質は、表面まで連通した複数の開孔と、前記表面まで連通しない複数の閉孔と、炭素材料からなる固体部とを有する前記多孔性炭素材料を含み、前記固体部の(002)面間距離が0.340nm以上0.410nm以下であり、前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の閉孔の容積比率が0%以上10%以下であり、前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の開孔の容積比率が0%以上50%以下である。 The negative electrode active material for a sodium ion secondary battery according to one aspect of the present invention includes a plurality of pores that communicate with the surface, a plurality of pores that do not communicate with the surface, and a solid portion made of a carbon material. A distance between (002) planes of the solid portion is 0.340 nm or more and 0.410 nm or less, and the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the plurality of the solid portions with respect to a volume sum of the solid portions The volume ratio of the closed holes is 0% or more and 10% or less, and the volume ratio of the plurality of openings to the volume sum of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the solid portion is 0% or more and 50% or less. is there.
前記固体部の(002)面間距離は、例えば0.36nm以上である。 The distance between the (002) planes of the solid part is, for example, 0.36 nm or more.
前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の開孔の容積比率は、例えば20%以下である。 The volume ratio of the plurality of openings to the volume sum of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the solid portion is, for example, 20% or less.
本発明の一態様のナトリウムイオン二次電池は、上記の負極活物質を含む負極と、ナトリウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質を含む正極と、ナトリウムイオンを含む電解質とを含む。 A sodium ion secondary battery of one embodiment of the present invention includes a negative electrode including the above negative electrode active material, a positive electrode including a positive electrode active material capable of occluding and releasing sodium ions, and an electrolyte including sodium ions.
本発明の一態様であるナトリウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法は、炭素源となる有機材料または多孔性炭素材料を用意する工程と、前記有機材料または前記多孔性炭素材料を不活性雰囲気化で熱処理することにより、多孔性炭素材料を得る工程とを包含し、前記多孔性炭素材料は、表面まで連通した複数の開孔と、前記表面まで連通しない複数の閉孔と、炭素材料からなる固体部とを有し、前記固体部の少なくとも一部における炭素の(002)面間距離が0.340nm以上0.410nm以下であり、前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の閉孔の容積比率が0%以上10%以下であり、前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の開孔の容積比率が0%以上50%以下である。 A method for producing a negative electrode active material for a sodium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention includes a step of preparing an organic material or a porous carbon material that serves as a carbon source, and the inertness of the organic material or the porous carbon material. A step of obtaining a porous carbon material by heat treatment in an atmosphere, wherein the porous carbon material comprises a plurality of apertures communicating with the surface, a plurality of closed pores not communicating with the surface, and a carbon material. A distance between carbon (002) planes in at least a part of the solid part is 0.340 nm or more and 0.410 nm or less, the plurality of openings, the plurality of closures, and the solid part The volume ratio of the plurality of closed holes to the volume sum of the solid part is 0% or more and 10% or less, and the volumes of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the volume of the plurality of holes to the volume sum of the solid part Ratio % Or more is 50% or less.
前記有機材料は、例えば、セルロース系樹脂である。前記熱処理温度は、例えば、1100℃以上1300℃以下であってもよい。 The organic material is, for example, a cellulose resin. 1100 degreeC or more and 1300 degrees C or less may be sufficient as the said heat processing temperature, for example.
前記有機材料は、例えば、フェノール系樹脂である。前記熱処理温度は、例えば、1000℃以上1300℃以下であってもよい。 The organic material is, for example, a phenolic resin. The heat treatment temperature may be, for example, 1000 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower.
前記有機材料は、例えば、フェノールフタレインである。前記熱処理温度は、例えば、1000℃以上1300℃以下であってもよい。 The organic material is, for example, phenolphthalein. The heat treatment temperature may be, for example, 1000 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower.
前記多孔性炭素材料は、例えば、活性炭素材料である。前記熱処理温度は、例えば、1600℃以上2500℃以下であってもよい。 The porous carbon material is, for example, an activated carbon material. 1600 degreeC or more and 2500 degrees C or less may be sufficient as the said heat processing temperature, for example.
(実施の形態)
以下、図面を参照しながら、本発明によるナトリウムイオン二次電池用負極活物質の実施の形態を説明する。(Embodiment)
Hereinafter, embodiments of a negative electrode active material for a sodium ion secondary battery according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態のナトリウムイオン二次電池用負極活物質の構成を例示する模式的な断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the negative electrode active material for a sodium ion secondary battery of this embodiment.
本実施の形態のナトリウムイオン二次電池用負極活物質は多孔性炭素材料を含む。多孔性炭素材料10は、多孔性炭素材料10の表面11まで連通した複数の開孔12と、表面11まで連通しない複数の閉孔13と、固体部14を有する。図1では、模式的に開孔12および閉孔13を1つずつ示している。
The negative electrode active material for a sodium ion secondary battery according to the present embodiment includes a porous carbon material. The
多孔性炭素材料10は、上述した開孔12、閉孔13および固体部14を有する構造を備える限り、種々の形状を有してよく、ナトリウムイオン二次電池用の活物質として一般に用いられる種々の形状を備えていてもよい。具体的には、多孔性炭素材料10は、粒子形状、燐片形状あるいは薄膜形状を有していてもよい。多孔性炭素材料10が粒子形状を有する場合、その平均粒子径は、例えば0.01μm以上100μm以下、好ましくは、1μm以上50μm以下である。平均粒子径が1μmより小さい場合は、表面活性が高く、取り扱いが難しくなる可能性が有る。一方、50μmより大きい場合は、負極活物質としての反応速度が遅くなる可能性がある。
The
また、ナトリウムイオン二次電池用負極活物質は主として多孔性炭素材料を含んでいればよく、他の負極活物質や添加剤等を含んでいてもよい。「主として」とは、全体に対して50重量%以上の割合で含むことをいう。好ましくは、ナトリウムイオン二次電池用負極活物質は全体に対して70重量%以上の割合で多孔性炭素材料を含んでいる。 Moreover, the negative electrode active material for sodium ion secondary batteries should just contain the porous carbon material, and may contain the other negative electrode active material, an additive, etc. “Mainly” means containing 50% by weight or more of the whole. Preferably, the negative electrode active material for a sodium ion secondary battery contains a porous carbon material in a proportion of 70% by weight or more with respect to the whole.
固体部14は、炭素材料によって構成されている。ここで炭素材料とは主として炭素のみを含み、炭素―炭素結合による構造を備えた種々の物質をいう。炭素材料の製造方法に由来して、炭素以外に水素や窒素など少量の他の元素を含んでいてもよいし、炭素材料全体のうち、部分的に炭素以外の元素を含む部分が存在していてもよい。
The
本実施の形態では、固体部14の少なくとも一部を構成している炭素材料において、sp2混成軌道によって形成された炭素骨格の(002)面間の距離が0.340nm以上である。また、閉孔13の容積比率が10%以下、かつ、開孔比率が50%以下である。これにより、本実施の形態のナトリウムイオン二次電池用負極活物質は、大きな単位体積あたりの充放電容量を備える。In the present embodiment, in the carbon material constituting at least a part of the
本願発明者らの詳細な検討によれば、多孔性炭素材料において、ナトリウムの吸蔵・放出サイトとして機能する部位は、固体部14および、表面11まで連通しない閉孔13であると考えられる。つまり、充電時に、固体部14と閉孔13の内部に、ナトリウムが吸蔵され、かつ放電時に、吸蔵されたナトリウムが外部に放出される。
According to the detailed examination by the inventors of the present application, in the porous carbon material, the site functioning as the sodium occlusion / release site is considered to be the
固体部14に吸蔵放出するナトリウムの量を十分に得るためには、固体部14の(002)面間距離が0.340nm以上であり、一般的な非晶質炭素材料の(002)面間距離の最大値0.410nm以下であることが好ましいことがわかった。
In order to obtain a sufficient amount of sodium to be occluded and released into the
開孔12、閉孔13および固体部14の容積和に対する閉孔13の容積比率が10%以下であることが好ましい。上述したように、多孔性炭素材料の閉孔13および固体部14にナトリウムは吸蔵されるため、これらの容積が増大すれば多孔性炭素材料の容量も増大する。ただし、体積あたり容量密度の大きな負極活物質を得るには、表面11まで連通しない閉孔13よりも、固体部14が、最も重要である。固体部14は、多孔性炭素材料としての質量も増大させるのに対し、閉孔13は空洞であるため、閉孔13が増大しても質量は増加しない。単位体積当たりの充放電容量を高めるためには、閉孔13の容積比率が小さいことが好ましい。閉孔13の容積比率が大きくなると、負極活物質の粒子体積である閉孔13と固体部14を合わせた体積が大きくなるため、見かけ密度(g/cc)が小さくなる。したがって、表面11まで連通しない閉孔13よりも、固体部14を大きく有することが、体積あたり容量密度の大きな負極活物質を得るうえで好ましい。特に、開孔12、閉孔13および固体部14の容積和に対する閉孔13の容積比率が10%以下であることにより、より単位体積当たりの充放電容量が大きいナトリウムイオン二次電池用負極活物質を実現することができる。なお、閉孔13の容積比率を小さくすると、多孔性炭素材料の重量が増加するため、単位重量当たりの充放電容量は低下することもある。
It is preferable that the volume ratio of the
一方、開孔12はナトリウムイオン二次電池中では、非水電解溶媒と直接接し得ることにより、溶媒和したナトリウムイオンを吸蔵すると考えられる。しかし、溶媒和したナトリウムイオンは開孔12に吸蔵されると、溶媒や電解質を還元することによって不可逆反応を起こし得るため、不可逆的なナトリウムの吸蔵放出が開孔12において生じにくいと考えられる。このため、開孔12は、少ないほうが好ましく、開孔12、閉孔13および固体部14の容積和に対する開孔12の容積比率は0%以上50%以下であることが好ましい。開孔12の容積比率が50%以下である場合、初回充放電時に不可逆容量となるナトリウムを抑制でき、充放電容量が大きい負極活物質を提供することが可能となる。特に、開孔12の容積比率が20%以下であれば、初回充放電時の不可逆容量がより少なくなり、充放電容量が非常に大きい負極活物質を提供することが可能となる。
On the other hand, it is considered that the
本願発明者らの検討によれば、開孔12および閉孔13は、ナトリウム原子が挿入可能な大きさであれば特に孔内部の大きさ(孔の伸びる方向に垂直な断面の大きさ)および長さに特に制限はなく、充放電容量にこれらが有意な影響を与えることは確認されていない。ナトリウムの原子半径は約0.2nmであり、プロピレンカーボネートが溶媒和したNaイオンの直径が0.4nm程度(Stokes法による算出結果)であることを考慮すると、開孔12および閉孔13の断面の大きさ(直径)は概ね0.4nm以上であればよいと考えられる。また、ヘリウム、アルゴン、窒素の直径が0.3〜0.4nm程度であり、以下において説明するように、上述した容積比率は、これらのガスを用いて測定することにより得られた値で定義する。したがって、開孔12および閉孔13の長手方向に垂直な断面の内接円の大きさは0.4nm以上であると考えられる。一方、開孔12および閉孔13の断面が数nmよりも大きくなると、閉孔13の断面において複数のナトリウム原子が配置可能となる。しかし、実際には、ナトリウム原子同士の反発等によって、閉孔13の断面に高い密度でナトリウム原子が配列するように閉孔13内にナトリウムが吸蔵されにくいと考えられる。このため、閉孔13の空間を有効に利用することを考慮すると、閉孔13の長手方向に垂直な断面の内接円の大きさは概ね100nm以下であることが好ましいと考えられる。また、上述したガスを用いる場合、概ね100nm以下の直径の細孔の容積を精度よく測定することができる。
According to the study by the inventors of the present application, the
このように、本実施の形態のナトリウムイオン二次電池用負極活物質では、多孔性炭素材料の固体部14の少なくとも一部を構成している炭素材料において、sp2混成軌道によって形成された炭素骨格の(002)面間の距離が0.340nm以上であることにより、ナトリウムイオンの吸蔵放出サイトとして良好に機能し得る。また、吸蔵されたナトリウムは可逆的に放出される。このため、ナトリウムを可逆的に吸蔵放出し得る負極活物質を実現することができる。また、閉孔13の容積比率が10%以下、かつ開孔12の容積比率が50%以下であることによって、単位体積あたりの充放電容量が従来よりも大きい負極活物質を得ることができる。Thus, in the negative electrode active material for a sodium ion secondary battery according to the present embodiment, carbon formed by sp 2 hybrid orbitals in the carbon material constituting at least part of the
本実施形態のナトリウムイオン二次電池用負極活物質に含まれる多孔性炭素材料における(002)面間距離は、X線回折測定によって求めることができる。具体的な測定手順の一例を、サンプル調整、測定、解析の順に説明する。サンプル調整は、例えば、多孔性炭素材料を120℃、真空下で2時間乾燥させる。次に、多孔性炭素材料に対して10重量%の標準Si(NIST 640d)を秤量し、乾燥させた多孔性炭素材料と標準Siとを乳鉢で混合する。これにより、X線回折測定用試料を調製することができる。測定には、例えば、X線源としてCu−Kα線を用いることができる。管電圧40kV、管電流40mAの出力でX線を発生させ、2θ/θ法で、20度〜30度(2θ)の範囲で試料を走査することによって、回折線を検出する。 The (002) interplanar distance in the porous carbon material contained in the negative electrode active material for a sodium ion secondary battery of the present embodiment can be determined by X-ray diffraction measurement. An example of a specific measurement procedure will be described in the order of sample adjustment, measurement, and analysis. For sample preparation, for example, the porous carbon material is dried at 120 ° C. under vacuum for 2 hours. Next, 10 wt% of standard Si (NIST 640d) is weighed with respect to the porous carbon material, and the dried porous carbon material and standard Si are mixed in a mortar. Thereby, the sample for X-ray diffraction measurement can be prepared. For the measurement, for example, Cu-Kα rays can be used as an X-ray source. X-rays are generated at an output of a tube voltage of 40 kV and a tube current of 40 mA, and a diffraction line is detected by scanning the sample in the range of 20 degrees to 30 degrees (2θ) by the 2θ / θ method.
解析は、測定結果をJIS R7651記載の方法で、標準Si(111)のピーク位置を用いて補正し、得た補正値に対して、おおよそ23〜26度付近に観測される炭素(002)ピーク値(2θ)から、Braggの式(d002=λ/sinθc/2)を用いて、炭素骨格構造の(002)面間距離を求める。Cu−Kα線の場合、λ=0.15419nmである。In the analysis, the measurement result is corrected using the standard Si (111) peak position by the method described in JIS R7651, and the carbon (002) peak observed around 23 to 26 degrees with respect to the obtained correction value. From the value (2θ), the distance between (002) planes of the carbon skeleton structure is obtained using the Bragg equation (d 002 = λ / sin θ c / 2). In the case of Cu-Kα rays, λ = 0.15419 nm.
なお、多孔性炭素材料によっては、多孔性炭素材料を製造する際の熱処理等によって固体部の一部分のみが黒鉛化することにより、23〜26度付近に、炭素の(002)ピークが2つ以上観測されることがある。26度付近に観測されるシャープなピークは部分的に黒鉛化した固体部に起因するピークであり、最も低角度側に観測されるブロードなピークはより結晶性の低い固体部に起因するピークである。ナトリウムの通り道として機能するためには、炭素骨格構造の(002)面間距離が0.36nm以上であることが好ましいため、炭素の(002)のピークが2つ現れた炭素材料については、より低角度側に観測されるブロードなピークを炭素の(002)ピークとし、そのピーク値(2θ)から(002)面間距離を求めことができる。 Depending on the porous carbon material, only a part of the solid part is graphitized by heat treatment or the like when producing the porous carbon material, so that two or more (002) peaks of carbon are present at around 23 to 26 degrees. May be observed. The sharp peak observed at around 26 degrees is a peak attributed to a partially graphitized solid part, and the broad peak observed at the lowest angle is a peak attributed to a solid part having lower crystallinity. is there. In order to function as a passage for sodium, it is preferable that the distance between the (002) planes of the carbon skeleton structure is 0.36 nm or more. Therefore, for a carbon material in which two (002) peaks of carbon appear, The broad peak observed on the low angle side is the (002) peak of carbon, and the (002) interplane distance can be determined from the peak value (2θ).
また、本実施形態のナトリウムイオン二次電池用負極活物質に含まれる炭素材料における閉孔の容積比率(以下、単に、閉孔比率と呼ぶ場合がある)は、以下のようにして求めることができる。まず、炭素材料の単位重量当たりの開孔12の容積VOP(cc/g)を、ガス吸着測定により求める。また、多孔性炭素材料の固体部14および閉孔13の容積は密度測定によって、多孔性炭素材料の見かけ密度dHe(g/cc)の逆数として求めることができる。Further, the volume ratio of closed pores in the carbon material contained in the negative electrode active material for sodium ion secondary battery of the present embodiment (hereinafter, sometimes simply referred to as a closed pore ratio) can be obtained as follows. it can. First, the volume V OP (cc / g) of the opening 12 per unit weight of the carbon material is determined by gas adsorption measurement. Also, the volume of the
閉孔の容積比率RCP(%)は、以下の式で求められる。
RCP(%)=(1/dHe―1/2.26)/(VOP+1/dHe)×100
ここで、上記の式の分母である(VOP+1/dHe)は、炭素材料1gあたりの開孔12、閉孔13および固体部14の容積の和であり、分子(1/dHe―1/2.26)は、多孔性炭素材料1gあたりの固体部14および閉孔13の容積の和から、固体部の容積(1/2.26))を引いた値であり、閉孔13の容積を示している。上記分子を上記分母で割って、得られた値を100分率に変換することによって、炭素材料の閉孔の容積比率Rcp(%)を得ることができる。固体部14の体積(1/2.26)は、炭素の真密度2.26g/ccから算出している。The volume ratio R CP (%) of the closed hole is obtained by the following formula.
R CP (%) = (1 / d He −1 / 2.26) / (V OP + 1 / d He ) × 100
Here, the denominator (V OP + 1 / d He ) of the above formula is the sum of the volumes of the
閉孔の容積比率Rcp(%)の具体的な測定方法の一例を示す。例えば、炭素材料の単位重量当たりの開孔12の容積VOP(cc/g)は、前処理として、120℃、真空下で2時間乾燥した炭素材料および吸着ガス種としてアルゴンまたは窒素ガスを用い、全自動ガス吸着量測定装置により、相対圧力0.99における吸着ガス量から求めることができる。全自動ガス吸着量測定装置は全細孔容積(cc/g)を測定する装置として用いられるが、この測定では、閉孔にガスが吸着することはないため、単位重量当たりの開孔12の容積VOP(cc/g)を測定していることになる。An example of a specific method for measuring the volume ratio R cp (%) of the closed hole is shown. For example, the volume V OP (cc / g) of the opening 12 per unit weight of the carbon material is a carbon material dried under vacuum at 120 ° C. for 2 hours as a pretreatment, and argon or nitrogen gas is used as an adsorption gas species. The amount of adsorbed gas at a relative pressure of 0.99 can be obtained by a fully automatic gas adsorption amount measuring device. The fully automatic gas adsorption amount measuring device is used as a device for measuring the total pore volume (cc / g), but in this measurement, gas is not adsorbed to the closed pores. The volume V OP (cc / g) is being measured.
炭素材料の見かけ密度(g/cc)は、前処理として、120℃、真空下で2時間乾燥した炭素材料および測定ガスとしてヘリウムを用い、ウルトラピクノメーターにより、求めることができる。また、炭素材料における開孔の容積比率(以下、単に、開孔比率と呼ぶ場合がある)ROPは、VOPおよびdHeを用い、以下の式によって算出することができる。
ROP(%)=VOP/(VOP+1/dHe)×100The apparent density (g / cc) of the carbon material can be obtained by an ultra pycnometer using a carbon material dried at 120 ° C. under vacuum for 2 hours as a pretreatment and helium as a measurement gas. Further, the volume ratio of pores in the carbon material (hereinafter sometimes simply referred to as the pore ratio) R OP can be calculated by the following equation using V OP and d He .
R OP (%) = V OP / (V OP + 1 / d He ) × 100
また、本発明の負極活物質における開孔の容積比率は、上記と同様のVOP、dHeを用い、100×VOP/(VOP+1/dHe)の式に従い、算出することができる。Further, the volume ratio of the pores in the negative electrode active material of the present invention can be calculated according to the formula of 100 × V OP / (V OP + 1 / d He ) using V OP and d He similar to the above. .
本実施形態のナトリウムイオン二次電池用負極活物質に含まれる炭素材料は、例えば、炭素源となる有機材料や多孔質炭素材料を不活性雰囲気下で焼成することにより、得ることができる。炭素源としては、セルロース系樹脂、フェノール系樹脂およびフェノールフタレインなどが好ましい。セルロース系樹脂、フェノール系樹脂およびフェノールフタレインとしては、繊維状、粒子等の形状は問わないが、焼成後の活物質粒子への加工を考慮すると、数μm〜数十μmの粒子状あるいは、短繊維状であることが好ましい。 The carbon material contained in the negative electrode active material for a sodium ion secondary battery of the present embodiment can be obtained, for example, by firing an organic material or a porous carbon material serving as a carbon source in an inert atmosphere. As the carbon source, cellulose resin, phenol resin, phenolphthalein and the like are preferable. Cellulosic resin, phenolic resin, and phenolphthalein may be in any form such as fibrous or particulate, but considering processing into active material particles after firing, a particle shape of several μm to several tens of μm, or A short fiber shape is preferred.
安価なセルロース系樹脂としては、木炭、おがくず、紙などが使用しうる。熱処理温度は、好ましくは1100℃〜1300℃である。焼成雰囲気は、不活性であれば特に限定されないが、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等のガスが好適に用いられる。 As an inexpensive cellulosic resin, charcoal, sawdust, paper, or the like can be used. The heat treatment temperature is preferably 1100 ° C to 1300 ° C. The firing atmosphere is not particularly limited as long as it is inert, but a gas such as nitrogen, argon, helium, or neon is preferably used.
フェノール系樹脂としては、ノボラック樹脂、レゾール樹脂などが使用しうる。熱処理温度は、1000℃〜1300℃であることが好ましい。焼成雰囲気は、不活性であれば特に限定されないが、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等のガスが好適に用いられる。 As the phenolic resin, a novolac resin, a resole resin, or the like can be used. The heat treatment temperature is preferably 1000 ° C to 1300 ° C. The firing atmosphere is not particularly limited as long as it is inert, but a gas such as nitrogen, argon, helium, or neon is preferably used.
フェノールフタレインの熱処理温度は、1000℃〜1300℃であることが好ましい。焼成雰囲気は、不活性であれば特に限定されないが、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等のガスが好適に用いられる。 The heat treatment temperature of phenolphthalein is preferably 1000 ° C to 1300 ° C. The firing atmosphere is not particularly limited as long as it is inert, but a gas such as nitrogen, argon, helium, or neon is preferably used.
多孔性炭素材料を造粒等のために、粉砕する必要がある場合には、熱処理を行う前に、有機材料や多孔性炭素材料を粉砕しておくことが好ましい。熱処理によって得られた多孔性炭素材料を粉砕する場合、多孔性炭素材料の構造が変化し、閉孔が開孔に変換する可能性がある。 When the porous carbon material needs to be pulverized for granulation or the like, the organic material or the porous carbon material is preferably pulverized before the heat treatment. When the porous carbon material obtained by the heat treatment is pulverized, there is a possibility that the structure of the porous carbon material changes and the closed pores are converted into open pores.
多孔性炭素材料としては、活性炭素材料が好ましい。活性炭素材料の形状は、繊維状、粒子等であってもよい。焼成後の活物質粒子への加工を考慮すると、数μm〜数十μmの大きさの粒子状または短繊維状の活性炭素材料であることが望ましい。安価な活性炭素材料としては、水蒸気賦活炭を用いることができる。熱処理温度は、1600℃以上2500℃以下であることが好ましい。焼成雰囲気は、不活性であれば特に限定されないが、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等のガスが好適に用いられる。 As the porous carbon material, an activated carbon material is preferable. The shape of the activated carbon material may be fibrous, particle or the like. In consideration of processing into the active material particles after firing, it is desirable that the activated carbon material be in the form of particles or short fibers having a size of several μm to several tens of μm. As an inexpensive activated carbon material, steam activated charcoal can be used. The heat treatment temperature is preferably 1600 ° C. or higher and 2500 ° C. or lower. The firing atmosphere is not particularly limited as long as it is inert, but a gas such as nitrogen, argon, helium, or neon is preferably used.
(実施の形態2)
本発明によるナトリウムイオン二次電池の実施の形態を説明する。図2は本実施の形態のナトリウムイオン二次電池の構成を例示する模式的な断面図である。(Embodiment 2)
An embodiment of a sodium ion secondary battery according to the present invention will be described. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the sodium ion secondary battery of this embodiment.
図2に示す例では、正極23は、正極集電体21と、正極集電体21の上に形成された、正極活物質を含む正極合剤層22とを有している。負極26は、負極集電体24と、負極集電体24の上に形成された、負極活物質を含む負極合剤層25とを有している。正極23と負極26とは、セパレータ27を介して、正極合剤層22と負極合剤層25とが対向するように配置され、電極群を構成している。電極群は外装28で覆われている。
In the example illustrated in FIG. 2, the
負極合剤層25は、実施の形態1で説明したナトリウムイオン二次電池用負極活物質を含んでいる。負極合剤層25は、負極活物質以外に、必要に応じて導電助剤、イオン伝導体および/またはバインダーを含んでいてもよい。導電助剤、イオン伝導体、バインダーを含まない場合、負極活物質は負極集電体24上に形成された薄膜状であってもよい。
The negative
負極活物質は、実施の形態1で説明したように、表面まで連通した開孔12と、表面まで連通しない閉孔13と、固体部14とを有する多孔性炭素材料を含む。固体部少なくとも一部における炭素の(002)面間距離は、0.340nm以上である。また、閉孔13の容積比率が10%以下、かつ開孔12の容積比率が50%以下である。後述する実施例から分かるように、このような多孔性炭素材料を含む負極活物質は、従来のナトリウムイオン二次電池用負極活物質よりも高い単位体積あたり容量を有している。このため、本実施形態によると、従来よりも体積あたり高容量なナトリウムイオン二次電池を実現することが可能になる。
As described in Embodiment 1, the negative electrode active material includes a porous carbon material having an
また、負極は、さらに固体部14の(002)面間距離が0.36nm以上、または開孔12の容積比率が20%以下であってもよい。このような活物質は、従来のナトリウムイオン二次電池用負極活物質よりもさらに高い充放電容量密度を有している。このため、本実施形態によると、従来よりも体積あたり高容量なナトリウムイオン二次電池を実現することが可能になる。
Further, the negative electrode may further have a (002) inter-surface distance of the
導電助剤およびイオン伝導体は、電極抵抗を低減するために用いられる。導電助剤としては、カーボンブラック、グラファイト、アセチレンブラックなどの炭素材料(炭素導電助剤)、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなどの導電性高分子化合物が挙げられる。イオン伝導体としては、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸メチルなどのゲル電解質、ポリエチレンオキシドなどの固体電解質が挙げられる。 Conductive aids and ionic conductors are used to reduce electrode resistance. Examples of the conductive assistant include carbon materials (carbon conductive assistant) such as carbon black, graphite, and acetylene black, and conductive polymer compounds such as polyaniline, polypyrrole, and polythiophene. Examples of the ionic conductor include gel electrolytes such as polymethyl methacrylate and polymethyl methacrylate, and solid electrolytes such as polyethylene oxide.
バインダーは、電極を構成する材料の結着性を向上するために用いられる。具体例としては、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフルライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミドなどが挙げられる。 A binder is used in order to improve the binding property of the material which comprises an electrode. Specific examples include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, polytetrafluoroethylene, carboxymethylcellulose, polyacrylic acid, styrene-butadiene copolymer rubber, Examples include polypropylene, polyethylene, and polyimide.
負極集電体24として、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、銅、およびそれらの合金などの金属材料で作られた多孔質または無孔のシートまたはフィルムを使用できる。アルミニウムおよびその合金は、安価で薄膜化しやすいという利点を有する。シートまたはフィルムとして、金属箔、メッシュなどが用いられる。抵抗値の低減、触媒効果の付与、負極合剤層25と負極集電体24とを化学的または物理的に結合させることによる負極合剤層25と負極集電体24との結合強化のため、負極集電体24の表面にカーボンなどの炭素材料を、導電性補助材料として塗布してもよい。
As the negative electrode
正極合剤層22は、ナトリウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質を含んでいる。正極合剤層22は、正極活物質以外に、必要に応じて導電助剤、イオン伝導体および/またはバインダーを含んでいてもよい。
The positive
正極活物質としては、ナトリウムイオンを吸蔵および放出する材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、ナトリウウム含有遷移金属酸化物、遷移金属フッ化物、ポリアニオンおよびフッ素化ポリアニオン材料、および、遷移金属硫化物などが挙げられる。具体的には、ナトリウム含有遷移金属酸化物として、NaxMe1 yO2(0<x≦1、0.95≦y<1.05、Me1はFe、Mn、Ni、Co、CrおよびTiからなる群から選択される少なくとも1種を含む)などを用いることができる。遷移金属フッ化物として、NaFeF3、NaMnF3およびNaNiF3などを用いることができる。ポリアニオンおよびフッ素化ポリアニオン材料として、NaMe2PO4、Na3Me2 2(PO4)3、Na4Me2 3(PO4)2P2O7、Na2Me2PO4FおよびNa3Me2 2(PO4)2F3(Me2はFe、Mn、Ni、Co、Ti、VおよびMoからなる群から選択される少なくとも1種を含む)などを用いることができる。遷移金属硫化物として、Ni3S2、FeS2およびTiS2などを用いることができる。その中でも、Na含有遷移金属酸化物を用いると、製造コストが安く、平均放電電圧が高いという利点がある。導電助剤、イオン伝導体、バインダーは、負極合剤層15と同様のものを使用可能である。The positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that occludes and releases sodium ions. For example, sodium-containing transition metal oxides, transition metal fluorides, polyanions and fluorinated polyanion materials, and transition metals Examples thereof include sulfides. Specifically, as the sodium-containing transition metal oxide, Na x Me 1 y O 2 (0 <x ≦ 1 , 0.95 ≦ y <1.05, Me 1 is Fe, Mn, Ni, Co, Cr and Including at least one selected from the group consisting of Ti). As the transition metal fluorides, and the like can be used NaFeF 3, NaMnF 3 and NaNiF 3. Polyanion and fluorinated polyanion materials include NaMe 2 PO 4 , Na 3 Me 2 2 (PO 4 ) 3 , Na 4 Me 2 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 , Na 2 Me 2 PO 4 F and Na 3 Me. 2 2 (PO 4 ) 2 F 3 (Me 2 includes at least one selected from the group consisting of Fe, Mn, Ni, Co, Ti, V, and Mo) can be used. Ni 3 S 2 , FeS 2, TiS 2, etc. can be used as the transition metal sulfide. Among these, the use of a Na-containing transition metal oxide has advantages that the production cost is low and the average discharge voltage is high. As the conductive assistant, the ionic conductor, and the binder, the same materials as those for the negative electrode mixture layer 15 can be used.
正極集電体21としては、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、およびそれらの合金などの金属材料で作られた多孔質または無孔のシートまたはフィルムを使用できる。アルミニウムおよびその合金は、安価で薄膜化しやすいなどの利点を有する。シートまたはフィルムとして、金属箔、メッシュなどが用いられる。抵抗値の低減、触媒効果の付与、正極合剤層22と正極集電体21とを化学的または物理的に結合させることによる正極合剤層22と正極集電体21との結合強化のため、正極集電体21の表面にカーボンなどの炭素材料を、導電性補助材料として塗布してもよい。
As the positive electrode
セパレータ27には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ガラス、セルロース、セラミクスなどからなる多孔質膜が用いられ、細孔内部に電解質を含浸して用いられる。
As the
電池に用いられる非水電解質としては、ナトリウム塩を含む非水溶媒、ゲル電解質または固体電解質が例示される。 Examples of the nonaqueous electrolyte used in the battery include a nonaqueous solvent containing a sodium salt, a gel electrolyte, or a solid electrolyte.
ナトリウム塩の種類としては、六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF6)、四フッ化ホウ酸ナトリウム(NaBF4)、過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(SO2CF3)2)、ビスパーフルオロエチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(SO2C2F5)2)、ビスフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(SO2F)2)、NaAsF6、NaCF3SO3またはジフルオロ(オキサラト)ホウ酸ナトリウムなどを用いることができる。電池の安全性、熱安定性およびイオン伝導性の観点から、NaPF6が好適に用いられる。なお、上記電解質塩のうち1種を用いてもよく、あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよい。Examples of the sodium salt include sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), sodium tetrafluoroborate (NaBF 4 ), sodium perchlorate (NaClO 4 ), sodium bistrifluoromethylsulfonylimide (NaN (SO 2 CF 3 ) 2 ), sodium bisperfluoroethylsulfonylimide (NaN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 ), sodium bisfluoromethylsulfonylimide (NaN (SO 2 F) 2 ), NaAsF 6 , NaCF 3 SO 3 or difluoro (Oxalato) sodium borate and the like can be used. From the viewpoint of battery safety, thermal stability, and ion conductivity, NaPF 6 is preferably used. In addition, you may use 1 type in the said electrolyte salt, and may use it in combination of 2 or more type.
非水溶媒としては、通常電池用の非水溶媒として用いられる環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、ニトリル類、アミド類などが挙げられる。これら溶媒は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates, chain carbonates, esters, cyclic ethers, chain ethers, nitriles, amides and the like that are usually used as non-aqueous solvents for batteries. One of these solvents may be used alone, or two or more thereof may be used in combination.
環状炭酸エステルとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等が挙げられ、これらの水素基の一部または全部がフッ素化されているものも用いることが可能で、例えば、トリフルオロプロピレンカーボネート、フルオロエチルカーボネートなどが挙げられる。 Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, etc., and those in which some or all of these hydrogen groups are fluorinated can be used. For example, trifluoropropylene carbonate, fluoro Examples include ethyl carbonate.
鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネートなどが挙げられ、これらの水素基の一部または全部がフッ素化されているものも用いることが可能である。 Examples of chain carbonic acid esters include dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, and the like, and some of these hydrogen groups are fluorinated. It is possible to use.
エステル類としては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ一ブチロラクトン等が挙げられる。環状エーテル類としては、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1、3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、プロピレンオキシド、1,2−ブチレンオキシド、1,4−ジオキサン、1,3,5−トリオキサン、フラン、2−メチルフラン、1,8−シネオール、クラウンエーテルなどが挙げられる。 Examples of the esters include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, and γ-butyrolactone. Examples of cyclic ethers include 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, propylene oxide, 1,2-butylene oxide, 1,4-dioxane, 1,3,5. -Trioxane, furan, 2-methylfuran, 1,8-cineol, crown ether and the like.
鎖状エーテル類としては、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、メチルフェニルエーテル、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、o−ジメトキシベンゼン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、1,1−ジメトキシメタン、1,1−ジエトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルなどが挙げられる。 As chain ethers, 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, dipropyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether, dihexyl ether, ethyl vinyl ether, butyl vinyl ether, methyl phenyl ether, ethyl phenyl ether, butyl phenyl ether, pentyl phenyl Ether, methoxytoluene, benzyl ethyl ether, diphenyl ether, dibenzyl ether, o-dimethoxybenzene, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, 1,1 -Dimethoxymethane, 1,1-diethoxyethane, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethy Such as glycol dimethyl and the like.
ニトリル類としては、アセトニトリルなどが挙げられ、アミド類としては、ジメチルホルムアミドなどが挙げられる。 Nitriles include acetonitrile and the like, and amides include dimethylformamide and the like.
<実施例および比較例>
以下、実施例および比較例として、試験電極に負極活物質を、対極にナトリウム金属を有するナトリウムイオン電池用負極活物質評価セルを作製し、評価を行ったので、その方法および結果を説明する。なお、本発明の実施形態は、以下に説明する実施例に限定されない。<Examples and Comparative Examples>
As examples and comparative examples, a negative electrode active material evaluation cell for a sodium ion battery having a negative electrode active material as a test electrode and a sodium metal as a counter electrode was prepared and evaluated. The method and results will be described below. In addition, embodiment of this invention is not limited to the Example demonstrated below.
1.セルの作製
(実施例1)
負極活物質の作製
負極活物質となる炭素材料は、以下の炭化工程、分級工程、熱処理工程の3段階のステップで作製した。1. Cell fabrication (Example 1)
Production of Negative Electrode Active Material A carbon material to be a negative electrode active material was produced by the following three steps: a carbonization process, a classification process, and a heat treatment process.
まず、炭化工程について説明する。炭素源にα−セルロース(Whatman社製定量濾紙(No.40))を用い、Ar雰囲気下の管状炉(Arガス流量1L/min)で、室温から毎分10℃の割合で昇温して1000℃に到達するまで加熱し、1000℃で1時間保持した。その後、加熱を停止し、自然冷却後に管状炉から炭化物を取り出した。 First, the carbonization process will be described. Using α-cellulose (Whatman quantitative filter paper (No. 40)) as a carbon source, the temperature was raised from room temperature at a rate of 10 ° C. per minute in a tubular furnace (Ar gas flow rate 1 L / min) in an Ar atmosphere. It heated until it reached | attained 1000 degreeC, and hold | maintained at 1000 degreeC for 1 hour. Thereafter, the heating was stopped, and the carbide was taken out from the tubular furnace after natural cooling.
つぎに、分級工程について説明する。上記炭化工程で得た炭化物をメノウ乳鉢で粉砕し、目開き40μmのSUS製標準篩を用いて分級し、炭素粉末を得た。 Next, the classification process will be described. The carbide obtained in the carbonization step was pulverized in an agate mortar and classified using a SUS standard sieve having an opening of 40 μm to obtain carbon powder.
最後に、熱処理工程について説明する。上述の炭素粉末を用い、Ar雰囲気下の環状炉(Arガス流量1L/min)で、室温から毎分10℃の割合で昇温して1200℃に到達するまで加熱し、1200℃で1時間保持した。その後、加熱を停止し、自然冷却後に管状炉から炭素材料を取り出し、多孔性炭素材料からなる負極活物質を得た。 Finally, the heat treatment process will be described. Using the above-mentioned carbon powder, the temperature was raised from room temperature at a rate of 10 ° C. per minute in an annular furnace under an Ar atmosphere (Ar gas flow rate 1 L / min), and heated to reach 1200 ° C. for 1 hour at 1200 ° C. Retained. Thereafter, heating was stopped, and after natural cooling, the carbon material was taken out from the tubular furnace to obtain a negative electrode active material made of a porous carbon material.
ナトリウムイオン二次電池の作製
上記方法で作製した炭素材料を負極活物質とし、集電体として銅箔を用いて、試験電極を作製した。負極活物質として上記多孔性炭素材料と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを重量比9:1となるよう秤量し、NMP溶媒中に分散させスラリーを得た。得られたスラリーを、塗工機を用いて銅箔上に塗工した。塗工した極板を圧延機で圧延し、一辺が20mmの正方形に打ち抜き、電極状態に加工して、試験電極を得た。 Preparation of Sodium Ion Secondary Battery A test electrode was prepared using the carbon material prepared by the above method as a negative electrode active material and a copper foil as a current collector. The porous carbon material as a negative electrode active material and polyvinylidene fluoride as a binder were weighed to a weight ratio of 9: 1, and dispersed in an NMP solvent to obtain a slurry. The obtained slurry was coated on a copper foil using a coating machine. The coated electrode plate was rolled with a rolling mill, punched into a square with a side of 20 mm, and processed into an electrode state to obtain a test electrode.
次いで、上記の試験電極を用いて、ナトリウム金属を対極とするナトリウムイオン二次電池(評価用セル)を作製した。 Next, a sodium ion secondary battery (evaluation cell) using sodium metal as a counter electrode was produced using the test electrode.
電解液の調合、および評価用セルの作製は、露点−60度以下、酸素値1ppm以下のAr雰囲気のグローブボックス内で行った。電解液には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比で1:1となるように混合した溶媒に、1モル濃度の六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF6)を溶解させたものを用いた。また、一辺が20mmの正方形のニッケルメッシュにナトリウム金属を圧着し、対極とした。The preparation of the electrolyte solution and the evaluation cell were performed in a glove box in an Ar atmosphere having a dew point of −60 degrees or less and an oxygen value of 1 ppm or less. As the electrolytic solution, one obtained by dissolving 1 molar sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ) in a solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 1 was used. Moreover, sodium metal was crimped | bonded to the square nickel mesh whose side is 20 mm, and it was set as the counter electrode.
上記の試験電極と対極とを、電解液を含浸させたポリエチレン微多孔膜のセパレータを介して対向させた状態で外装内に収容し、外装を封口し、評価用セルを得た。 The test electrode and the counter electrode were accommodated in the exterior in a state of facing each other through a polyethylene microporous membrane separator impregnated with an electrolytic solution, the exterior was sealed, and an evaluation cell was obtained.
(実施例2)
炭素源及び炭素材料の熱処理工程の温度が異なることを除き、その他は、実施例1と同じ方法で、負極活物質を作製し、また、実施例1と同じ方法で評価用セルを作製した。炭素源としてノボラック樹脂を用い、熱処理温度は1000℃とした。(Example 2)
A negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature of the heat treatment step of the carbon source and the carbon material was different, and an evaluation cell was prepared in the same manner as in Example 1. A novolac resin was used as the carbon source, and the heat treatment temperature was 1000 ° C.
(実施例3)
炭素材料の熱処理工程の温度が異なることを除き、その他は、実施例2と同じ方法で、負極活物質を作製し、また、実施例2と同じ方法で評価用セルを作製した。熱処理温度は1200℃とした。(Example 3)
Except that the temperature of the heat treatment step of the carbon material is different, the negative electrode active material was prepared by the same method as in Example 2, and the evaluation cell was prepared by the same method as in Example 2. The heat treatment temperature was 1200 ° C.
(実施例4)
炭素源及び炭素材料の熱処理工程の温度が異なることを除き、その他は、実施例1と同じ方法で、負極活物質を作製し、また、実施例1と同じ方法で評価用セルを作製した。炭素源として活性炭素材料(比表面積2600m2/g、平均粒子径5μm)を用い、熱処理温度は2100℃とした。Example 4
A negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature of the heat treatment step of the carbon source and the carbon material was different, and an evaluation cell was prepared in the same manner as in Example 1. An activated carbon material (specific surface area 2600 m 2 / g, average particle diameter 5 μm) was used as a carbon source, and the heat treatment temperature was 2100 ° C.
(実施例5)
炭素材料の熱処理工程の温度が異なることを除き、その他は、実施例4と同じ方法で、負極活物質を作製し、また、実施例4と同じ方法で評価用セルを作製した。熱処理温度は2400℃とした。(Example 5)
A negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 4 except that the temperature of the heat treatment step of the carbon material was different, and an evaluation cell was prepared in the same manner as in Example 4. The heat treatment temperature was 2400 ° C.
(実施例6)
炭素源及び炭素材料の熱処理工程の温度が異なることを除き、その他は、実施例1と同じ方法で、負極活物質を作製し、また、実施例1と同じ方法で評価用セルを作製した。炭素源としてフェノールフタレインを用い、熱処理温度は1000℃とした。(Example 6)
A negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature of the heat treatment step of the carbon source and the carbon material was different, and an evaluation cell was prepared in the same manner as in Example 1. Phenolphthalein was used as the carbon source, and the heat treatment temperature was 1000 ° C.
(実施例7)
炭素材料の熱処理工程の温度が異なることを除き、その他は、実施例6と同じ方法で、負極活物質を作製し、また、実施例6と同じ方法で評価用セルを作製した。熱処理温度は1200℃とした。(Example 7)
A negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 6 except that the temperature of the heat treatment step of the carbon material was different, and an evaluation cell was prepared in the same manner as in Example 6. The heat treatment temperature was 1200 ° C.
(比較例1)
炭素材料の熱処理工程の温度が異なることを除き、その他は、実施例1と同じ方法で、負極活物質を作製し、また、実施例1と同じ方法で評価用セルを作製した。熱処理温度は1000℃とした。(Comparative Example 1)
Except that the temperature of the heat treatment step of the carbon material is different, a negative electrode active material was prepared by the same method as in Example 1, and an evaluation cell was prepared by the same method as in Example 1. The heat treatment temperature was 1000 ° C.
(比較例2)
負極活物質として、ハードカーボン炭素材料(CarbotronP、クレハ・バッテリー・マテリアルズ・ジャパン製)を用いたことを除き、その他は実施例1と同じ方法で、評価用セルを作製した。(Comparative Example 2)
An evaluation cell was produced in the same manner as in Example 1 except that a hard carbon carbon material (Carbotron P, manufactured by Kureha Battery Materials Japan) was used as the negative electrode active material.
(比較例3)
炭素材料の熱処理工程の温度が異なることを除き、その他は、実施例1と同じ方法で、負極活物質を作製し、また、実施例1と同じ方法で評価用セルを作製した。熱処理温度は1800℃とした。(Comparative Example 3)
Except that the temperature of the heat treatment step of the carbon material is different, a negative electrode active material was prepared by the same method as in Example 1, and an evaluation cell was prepared by the same method as in Example 1. The heat treatment temperature was 1800 ° C.
(比較例4)
負極活物質として、黒鉛系炭素材料(NG12、関西熱化学製)を用いたことを除き、その他は実施例1と同じ方法で、評価用セルを作製した。(Comparative Example 4)
An evaluation cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that a graphite-based carbon material (NG12, manufactured by Kansai Thermochemical Co., Ltd.) was used as the negative electrode active material.
(比較例5)
炭素材料の熱処理工程の温度が異なることを除き、その他は、実施例2と同じ方法で、負極活物質を作製し、また、実施例2と同じ方法で評価用セルを作製した。熱処理温度は1500℃とした。(Comparative Example 5)
Except that the temperature of the heat treatment step of the carbon material is different, the negative electrode active material was prepared by the same method as in Example 2, and the evaluation cell was prepared by the same method as in Example 2. The heat treatment temperature was 1500 ° C.
(比較例6)
炭素材料の熱処理工程の温度が異なることを除き、その他は、実施例4と同じ方法で、負極活物質を作製し、また、実施例4と同じ方法で評価用セルを作製した。熱処理温度は1500℃とした。(Comparative Example 6)
A negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 4 except that the temperature of the heat treatment step of the carbon material was different, and an evaluation cell was prepared in the same manner as in Example 4. The heat treatment temperature was 1500 ° C.
(比較例7)
炭素材料の熱処理工程の温度が異なることを除き、その他は、実施例6と同じ方法で、負極活物質を作製し、また、実施例6と同じ方法で評価用セルを作製した。熱処理温度は1400℃とした。(Comparative Example 7)
A negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 6 except that the temperature of the heat treatment step of the carbon material was different, and an evaluation cell was prepared in the same manner as in Example 6. The heat treatment temperature was 1400 ° C.
2.特性の評価
(A)多孔性炭素材料の開孔比率、閉孔比率、および層間距離の測定
実施例1〜7および、比較例1〜7の多孔性炭素材料の開孔比率、閉孔比率、および層間距離を測定した。開孔比率、閉孔比率は、以下の手順で測定した。2. Characteristic evaluation
(A) Measurement of pore ratio, pore ratio, and interlayer distance of porous carbon material Examples 1-7 and pore ratios, pore ratios, and interlayer distances of the porous carbon materials of Comparative Examples 1-7 Was measured. The opening ratio and the closing ratio were measured by the following procedure.
全自動ガス吸着量測定装置(Quantachrome社製AS1−MP−9)を用い、アルゴンを用いた多孔性炭素材料のガス吸着測定を行い、相対圧力0.99での吸着ガス量から多孔性炭素材料の全細孔容積VOP(cc/g)を求めた。Using a fully automatic gas adsorption amount measuring device (AS1-MP-9 manufactured by Quantachrome), gas adsorption measurement of a porous carbon material using argon was performed, and the porous carbon material was determined from the amount of adsorbed gas at a relative pressure of 0.99. The total pore volume V OP (cc / g) of was determined.
ウルトラピクノメーター(Quantachrome社製Ultrapic1200e)を用い、測定ガスにヘリウムを用いて、多孔性炭素材料の見かけ密度dHeを求めた。Using an ultra pycnometer (Quantachrome Corp. Ultrapic1200e), using a helium measurement gas to obtain the apparent density d the He of porous carbon material.
また、ガス吸着測定及び密度測定の結果より得たVOP、dHeから、次式に従い、負極活物質の開孔比率、閉孔比率を求めた。
閉孔比率RCP(%)=100×(1/dHe−1/2.26)/(VOP+1/dHe)
開孔比率ROP(%)=100×VOP/(VOP+1/dHe)Further, from V OP and d He obtained from the results of gas adsorption measurement and density measurement, the pore ratio and the pore ratio of the negative electrode active material were determined according to the following formula.
Closed hole ratio R CP (%) = 100 × (1 / d He −1 / 2.26) / (V OP + 1 / d He )
Opening ratio R OP (%) = 100 × V OP / (V OP + 1 / d He )
多孔性炭素材料の層間距離は、以下の手順で測定した。多孔性炭素材料に対して10mass%標準Si(NIST 640d)を採取、乳鉢で十分に混合し、X線回折測定用試料とした。X線回折測定装置はRigaku社製RINT2000を用いた。X線源としてCu−Kα線を用い、測定出力は管電圧40kV、管電流40mAとして、2θ/θ法で、20度〜30度(2θ)を走査することで測定した。23〜26度付近の炭素(002)ピークを標準Si(111)のピーク位置で補正し、 Braggの式(d=λ/sinθc/2)から、固体部の(002)面間距離を求めた。 The interlayer distance of the porous carbon material was measured by the following procedure. 10 mass% standard Si (NIST 640d) was collected with respect to the porous carbon material and thoroughly mixed in a mortar to obtain a sample for X-ray diffraction measurement. The RINT2000 manufactured by Rigaku was used as the X-ray diffraction measurement apparatus. A Cu-Kα ray was used as the X-ray source, and the measurement output was measured by scanning 20 ° to 30 ° (2θ) by the 2θ / θ method with a tube voltage of 40 kV and a tube current of 40 mA. The carbon (002) peak in the vicinity of 23 to 26 degrees was corrected with the peak position of standard Si (111), and the distance between the (002) planes of the solid part was determined from the Bragg equation (d = λ / sin θc / 2). .
(B)負極活物質の充放電試験の方法
実施例1〜7および、比較例1〜7の評価用セルの充放電試験を行い、充放電特性を評価した。その方法および結果を説明する。 (B) Charge / Discharge Test Method of Negative Electrode Active Material The charge / discharge tests of the evaluation cells of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 7 were performed to evaluate the charge / discharge characteristics. The method and result will be described.
評価用セルの充放電試験は25℃の恒温槽内で行った。充放電試験では、負極活物質を含む試験電極の充電を行い、20分間休止した後に放電を行う試験を行った。充放電は、負極電極の単位面積あたり0.05mAとなる電流値で、定電流で行った。また、充電終止は、電圧が0Vに到達する時点とした(充電終止電圧:0V)。放電終止は、電圧が2.0Vに到達する時点とした(放電終止電圧:2.0V)。初回の放電容量を、負極活物質の重量あたりで割った値を重量あたり初回放電容量密度(mAh/g)として、負極活物質の体積あたりで割った値を体積あたり初回放電容量密度(mAh/cc)として算出した。 The charge / discharge test of the evaluation cell was performed in a constant temperature bath at 25 ° C. In the charge / discharge test, the test electrode containing the negative electrode active material was charged and the test was performed after discharging for 20 minutes. Charging / discharging was performed at a constant current at a current value of 0.05 mA per unit area of the negative electrode. Further, the end of charge was set to the time when the voltage reached 0V (charge end voltage: 0V). The end of discharge was the time when the voltage reached 2.0V (discharge end voltage: 2.0V). The value obtained by dividing the initial discharge capacity per unit weight of the negative electrode active material as the initial discharge capacity density per unit weight (mAh / g), and the value divided per unit volume of the negative electrode active material per unit volume (mAh / cc).
実施例1〜7、および、比較例1〜7の評価用セルの充放電試験の結果を、負極活物質の閉孔比率、開孔比率、面間距離とともに表1に示す。 The results of the charge / discharge test of the evaluation cells of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 7 are shown in Table 1 together with the closed hole ratio, open hole ratio, and inter-surface distance of the negative electrode active material.
3.考察
実施例1〜7および、比較例1〜7は、いずれも負極活物質として多孔性炭素材料を用いているが、表1に示す結果から、多孔性炭素材料の構造により、その負極活物質としての放電容量密度は、大きく異なることが分かった。3. Discussion Examples 1-7 and Comparative Examples 1-7 all use a porous carbon material as a negative electrode active material. From the results shown in Table 1, depending on the structure of the porous carbon material, the negative electrode active material It has been found that the discharge capacity density as is greatly different.
まず、比較例4は、実施例1〜7、比較例1〜3及び比較例5〜7と比べ、初回放電容量密度が格段に低い結果が得られた。これは、固体部の(002)面間距離が0.335nmと小さく、ナトリウムイオンの通り道かつナトリウムイオンの吸蔵放出サイトとして良好に機能しないことが原因であると考えられる。従って、固体部の(002)面間距離は、0.335nmより大きく、また、標準的な炭素材料の(002)面間距離である0.340nm以上であることが好ましい。さらに、比較例1〜3及び比較例5〜7では、比較例4に比べ高い初回放電容量密度が得られているため、固体部がナトリウムイオンの通り道かつナトリウムイオンの吸蔵放出サイトとして機能していると予測される。そのため、固体部の(002)面間距離は、0.360nm以上であることが好ましい。 First, in Comparative Example 4, the initial discharge capacity density was significantly lower than those in Examples 1-7, Comparative Examples 1-3, and Comparative Examples 5-7. This is considered to be caused by the fact that the distance between the (002) planes of the solid portion is as small as 0.335 nm and does not function well as a sodium ion passage and a sodium ion occlusion / release site. Therefore, the distance between the (002) planes of the solid part is preferably larger than 0.335 nm, and is preferably 0.340 nm or more, which is the distance between the (002) planes of a standard carbon material. Further, in Comparative Examples 1 to 3 and Comparative Examples 5 to 7, since a high initial discharge capacity density was obtained compared to Comparative Example 4, the solid portion functions as a sodium ion passage and a sodium ion storage / release site. It is predicted that Therefore, it is preferable that the (002) plane distance of a solid part is 0.360 nm or more.
次に、実施例7と比較例7の負極活物質を比較すると、重量あたり放電容量密度は同等の値を示すものの、体積あたり放電容量密度は大きく異なる結果となった。 Next, when the negative electrode active materials of Example 7 and Comparative Example 7 were compared, the discharge capacity density per weight showed the same value, but the discharge capacity density per volume differed greatly.
実施例7の負極活物質では、固体部の(002)面間距離が0.383nmとナトリウムイオンの通り道かつナトリウムイオンの吸蔵放出サイトとして良好に機能し、544mAh/ccと大きな体積あたり放電容量を示した。しかし、比較例7の負極活物質では、固体部の(002)面間距離が0.382nmとほぼ同等の値であるにも関わらず、体積あたり放電容量は420mAh/ccと小さな値となった。この結果は、比較例7の負極活物質は閉孔の容積比率が30.8%と大きいため、負極活物質の見かけ密度が減少し、重量あたり放電容量密度が同等であっても、体積あたり放電容量密度が小さくなったからと考えられる。この結果より、固体部の(002)面間距離が0.340nm以上であることに加え、閉孔の容積比率が10%以下であれば、単位体積あたりの放電容量を大きくできることがわかる。 In the negative electrode active material of Example 7, the distance between the (002) planes of the solid part is 0.383 nm, which functions well as a sodium ion passage and a sodium ion storage / release site, and has a large discharge capacity of 544 mAh / cc. Indicated. However, in the negative electrode active material of Comparative Example 7, the discharge capacity per volume was as small as 420 mAh / cc although the distance between the (002) planes of the solid part was almost the same value as 0.382 nm. . As a result, since the negative electrode active material of Comparative Example 7 has a large volume ratio of closed pores of 30.8%, the apparent density of the negative electrode active material decreases, and even if the discharge capacity density per weight is equal, This is probably because the discharge capacity density has decreased. From this result, it can be seen that the discharge capacity per unit volume can be increased if the distance between the (002) planes of the solid part is 0.340 nm or more and the volume ratio of the closed holes is 10% or less.
固体部の(002)面間距離が0.340nm以上であり、かつ閉孔の容積比率が10%以下を含む、実施例1〜7および比較例1、比較例6の評価用セルの充放電試験の体積あたり初回放電容量密度と負極活物質の開孔の容積比率との関係を図3に示す。実施例1〜7の負極活物質では、いずれも固体部の(002)面間距離が0.340nm以上であり、かつ閉孔の容積比率が10%以下、かつ開孔の容積比率が50%以下である。また、単位体積あたりの初回放電容量は448mAh/cc以上を示した。この結果から、固体部の(002)面間距離が0.340nm以上、かつ閉孔の容積比率が10%以下、かつ開孔の容積比率が50%以下であれば、従来のハードカーボン炭素材料を超える高容量が得られることがわかる。更に、実施例1〜3および実施例7では、実施例4〜6と比べ、高い体積あたり放電容量密度が得られた。これは、開孔の容積比率がより小さいことで、開孔表面で生じる不可逆反応が減少したからと考えられる。従って、開孔の容積比率は、20%以下であることが好ましいことが分かる。 Charging / discharging of the evaluation cells of Examples 1 to 7, Comparative Example 1, and Comparative Example 6 in which the distance between the (002) planes of the solid part is 0.340 nm or more and the volume ratio of closed holes is 10% or less FIG. 3 shows the relationship between the initial discharge capacity density per volume of the test and the volume ratio of the openings of the negative electrode active material. In each of the negative electrode active materials of Examples 1 to 7, the distance between the (002) planes of the solid part was 0.340 nm or more, the volume ratio of closed holes was 10% or less, and the volume ratio of open holes was 50%. It is as follows. The initial discharge capacity per unit volume was 448 mAh / cc or more. From this result, if the distance between the (002) planes of the solid part is 0.340 nm or more, the volume ratio of closed holes is 10% or less, and the volume ratio of openings is 50% or less, the conventional hard carbon carbon material It can be seen that a high capacity exceeding can be obtained. Furthermore, in Examples 1 to 3 and Example 7, a higher discharge capacity density per volume was obtained than in Examples 4 to 6. This is presumably because the irreversible reaction occurring on the surface of the aperture decreased due to the smaller volume ratio of the aperture. Therefore, it can be seen that the volume ratio of the holes is preferably 20% or less.
比較例1および比較例6の負極活物質は、固体部の(002)面間距離は0.388nmおよび0.370nmと十分に大きく、かつ閉孔比率が6.4%とおよび0.8%と小さいため、ナトリウムイオンの吸蔵サイトは十分に確保でき、かつ見かけ密度が大きいものの、開孔比率が51.3%および72.5%と大きいため、開孔表面で生じる不可逆反応が多くなり、体積あたり初回放電容量密度は343mAh/ccおよび215mAh/ccと小さな値となった。 In the negative electrode active materials of Comparative Example 1 and Comparative Example 6, the distance between the (002) planes of the solid part is sufficiently large as 0.388 nm and 0.370 nm, and the closed hole ratio is 6.4% and 0.8%. Therefore, although the occlusion site of sodium ions can be sufficiently secured and the apparent density is large, the ratio of pores is as large as 51.3% and 72.5%. The initial discharge capacity density per volume was as small as 343 mAh / cc and 215 mAh / cc.
比較例2、比較例3および比較例5の負極活物質は、固体部の(002)面間距離は0.379nm、0.363および0.379nmと十分に大きく、かつ開孔比率が2.4%、4.1%および11.0と小さいため、ナトリウムイオンの十分な吸蔵サイトは確保でき、かつ開孔表面で生じる負可逆反応は抑制されるものの、閉孔比率が11.0%、35.9%および27.2%と大きいため、見かけ密度が小さくなり、初回放電容量密度は448mAh/cc、361mAh/cc、416mAh/ccと小さな値となった。 In the negative electrode active materials of Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Comparative Example 5, the distances between (002) planes of the solid part are sufficiently large as 0.379 nm, 0.363 and 0.379 nm, and the aperture ratio is 2. Since 4%, 4.1% and 11.0 are small, a sufficient occlusion site for sodium ions can be secured, and the negative reversible reaction occurring on the surface of the pores is suppressed, but the pore closing ratio is 11.0%. Since it was large as 35.9% and 27.2%, the apparent density was small, and the initial discharge capacity density was as small as 448 mAh / cc, 361 mAh / cc, and 416 mAh / cc.
以上の結果から、表面まで連通した開孔と、表面まで連通しない閉孔と、固体部とからなる多孔性炭素材料であって、固体部の(002)面間距離が0.334nmより大きく、かつ閉孔の容積比率が10%以下、かつ、開孔の容積比率が50%以下である炭素材料は、448mAh/cc以上のナトリウムイオン二次電池用負極活物質として大きな体積あたり放電容量密度を有していることが確認された。 From the above results, it is a porous carbon material composed of an open hole communicating to the surface, a closed hole not communicating to the surface, and a solid part, and the (002) interplanar distance of the solid part is greater than 0.334 nm, A carbon material having a closed hole volume ratio of 10% or less and an open hole volume ratio of 50% or less has a large discharge capacity density per volume as a negative electrode active material for sodium ion secondary batteries of 448 mAh / cc or more. It was confirmed to have.
また、これら体積あたり放電容量密度の大きい負極活物質を用いたナトリウムイオン二次電池は、その体積あたり容量密度の大きい、すなわちコンパクトな蓄電池を提供することが可能であることを示している。 Moreover, it has shown that the sodium ion secondary battery using the negative electrode active material with a large discharge capacity density per volume can provide a storage battery with a large capacity density per volume, that is, a compact.
なお、上記実施形態では、少なくとも一部に開孔または閉孔が存在する負極活物質について述べた。ただし、開孔または閉孔の容積比率は出来るだけ小さいほうが好ましく、開孔または閉孔が存在しない負極活物質を除外するものではない。開孔または閉孔が存在しない負極活物質は、例えば、熱処理条件を適切に選択することによって実現できると考えられる。 In the above embodiment, the negative electrode active material in which at least some of the holes are open or closed has been described. However, it is preferable that the volume ratio of the open holes or closed holes is as small as possible, and does not exclude negative electrode active materials that do not have open holes or closed holes. It is considered that the negative electrode active material having no open or closed holes can be realized, for example, by appropriately selecting heat treatment conditions.
本発明の一態様のナトリウムイオン二次電池は、携帯電子機器などの電源;火力発電、風力発電、燃料電池発電などの発電設備と組み合わせて使用される電力平準化用の蓄電デバイス;一般家庭および集合住宅用の非常用蓄電システム、深夜電力蓄電システムなどの電源;無停電電源;電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車といった輸送機器などの電源に好適に使用できる。 The sodium ion secondary battery of one embodiment of the present invention includes a power source for portable electronic devices and the like; a power storage device for power leveling used in combination with power generation facilities such as thermal power generation, wind power generation, and fuel cell power generation; It can be suitably used as a power source for an emergency power storage system for an apartment house, a midnight power storage system, an uninterruptible power supply, a transportation device such as an electric vehicle, a hybrid vehicle, and a plug-in hybrid vehicle.
10 負極活物質
11 表面
12 開孔
13 閉孔
14 固体部
15 負極合剤層
21 正極集電体
22 正極合剤層
23 正極
24 負極集電体
25 負極合剤層
26 負極
27 セパレータ
28 外装DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記固体部の(002)面間距離が0.340nm以上0.410nm以下であり、
前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の閉孔の容積比率が0%以上10%以下であり、
前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の開孔の容積比率が0%以上50%以下である、ナトリウムイオン二次電池用負極活物質。 A porous carbon material having a plurality of apertures communicating with the surface, a plurality of closed pores not communicating with the surface, and a solid portion made of a carbon material;
The (002) plane distance of the solid part is 0.340 nm or more and 0.410 nm or less,
The volume ratio of the plurality of closed holes to the volume sum of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the solid portion is 0% or more and 10% or less,
A negative electrode active material for a sodium ion secondary battery, wherein a volume ratio of the plurality of openings to the volume sum of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the solid portion is 0% or more and 50% or less.
ナトリウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質を含む正極と、
ナトリウムイオンを含む電解質と
を含むナトリウムイオン二次電池。 A negative electrode comprising the negative electrode active material according to claim 1;
A positive electrode containing a positive electrode active material capable of occluding and releasing sodium ions;
A sodium ion secondary battery comprising an electrolyte containing sodium ions.
前記活性炭素材料を不活性雰囲気下で熱処理することにより、多孔性炭素材料を得る工程と
を包含し、
前記多孔性炭素材料は、表面まで連通した複数の開孔と、前記表面まで連通しない複数の閉孔と、炭素材料からなる固体部とを有し、
前記固体部の少なくとも一部における炭素の(002)面間距離が0.340nm以上0.410nm以下であり、
前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の閉孔の容積比率が0%以上10%以下であり、
前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の開孔の容積比率が0%以上50%以下である、ナトリウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法。 A step of preparing an activated carbon material;
Including a step of obtaining a porous carbon material by heat-treating the activated carbon material in an inert atmosphere,
The porous carbon material has a plurality of openings communicating with the surface, a plurality of closed holes not communicating with the surface, and a solid portion made of a carbon material,
The distance between the (002) planes of carbon in at least a part of the solid part is 0.340 nm or more and 0.410 nm or less,
The volume ratio of the plurality of closed holes to the volume sum of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the solid portion is 0% or more and 10% or less,
The method for producing a negative electrode active material for a sodium ion secondary battery, wherein a volume ratio of the plurality of openings to the volume sum of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the solid portion is 0% or more and 50% or less.
前記有機材料を不活性雰囲気下で熱処理することにより、多孔性炭素材料を得る工程と
を包含し、
前記有機材料は、セルロース系樹脂であり、
前記熱処理を行った後、前記多孔性炭素材料に粉砕処理を行わず、
前記多孔性炭素材料は、表面まで連通した複数の開孔と、前記表面まで連通しない複数の閉孔と、炭素材料からなる固体部とを有し、
前記固体部の少なくとも一部における炭素の(002)面間距離が0.340nm以上0.410nm以下であり、
前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の閉孔の容積比率が0%以上10%以下であり、
前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の開孔の容積比率が0%以上50%以下である、ナトリウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法。 Preparing an organic material as a carbon source;
A step of obtaining a porous carbon material by heat-treating the organic material in an inert atmosphere,
The organic material is a cellulosic resin,
After performing the heat treatment, the porous carbon material is not pulverized,
The porous carbon material has a plurality of openings communicating with the surface, a plurality of closed holes not communicating with the surface, and a solid portion made of a carbon material,
The distance between the (002) planes of carbon in at least a part of the solid part is 0.340 nm or more and 0.410 nm or less,
The volume ratio of the plurality of closed holes to the volume sum of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the solid portion is 0% or more and 10% or less,
The method for producing a negative electrode active material for a sodium ion secondary battery, wherein a volume ratio of the plurality of openings to the volume sum of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the solid portion is 0% or more and 50% or less.
前記有機材料を不活性雰囲気下で熱処理することにより、多孔性炭素材料を得る工程と
を包含し、
前記有機材料は、フェノール系樹脂であり、
前記熱処理を行った後、前記多孔性炭素材料に粉砕処理を行わず、
前記多孔性炭素材料は、表面まで連通した複数の開孔と、前記表面まで連通しない複数の閉孔と、炭素材料からなる固体部とを有し、
前記固体部の少なくとも一部における炭素の(002)面間距離が0.340nm以上0.410nm以下であり、
前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の閉孔の容積比率が0%以上10%以下であり、
前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の開孔の容積比率が0%以上50%以下であるナトリウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法。 Preparing an organic material as a carbon source;
A step of obtaining a porous carbon material by heat-treating the organic material in an inert atmosphere,
The organic material is a phenolic resin,
After performing the heat treatment, the porous carbon material is not pulverized,
The porous carbon material has a plurality of openings communicating with the surface, a plurality of closed holes not communicating with the surface, and a solid portion made of a carbon material,
The distance between the (002) planes of carbon in at least a part of the solid part is 0.340 nm or more and 0.410 nm or less,
The volume ratio of the plurality of closed holes to the volume sum of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the solid portion is 0% or more and 10% or less,
A method for producing a negative electrode active material for a sodium ion secondary battery, wherein a volume ratio of the plurality of openings to the volume sum of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the solid portion is 0% or more and 50% or less.
前記有機材料を不活性雰囲気下で熱処理することにより、多孔性炭素材料を得る工程と
を包含し、
前記有機材料は、フェノールフタレインであり、
前記熱処理の温度は1000℃以上1300℃以下であり、
前記熱処理を行った後、前記多孔性炭素材料に粉砕処理を行わず、
前記多孔性炭素材料は、表面まで連通した複数の開孔と、前記表面まで連通しない複数の閉孔と、炭素材料からなる固体部とを有し、
前記固体部の少なくとも一部における炭素の(002)面間距離が0.340nm以上0.410nm以下であり、
前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の閉孔の容積比率が0%以上10%以下であり、
前記複数の開孔、前記複数の閉孔および前記固体部の容積和に対する前記複数の開孔の容積比率が0%以上50%以下であるナトリウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法。 Preparing an organic material as a carbon source;
A step of obtaining a porous carbon material by heat-treating the organic material in an inert atmosphere,
The organic material is phenolphthalein,
The temperature of the heat treatment is 1000 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower,
After performing the heat treatment, the porous carbon material is not pulverized,
The porous carbon material has a plurality of openings communicating with the surface, a plurality of closed holes not communicating with the surface, and a solid portion made of a carbon material,
The distance between the (002) planes of carbon in at least a part of the solid part is 0.340 nm or more and 0.410 nm or less,
The volume ratio of the plurality of closed holes to the volume sum of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the solid portion is 0% or more and 10% or less,
A method for producing a negative electrode active material for a sodium ion secondary battery, wherein a volume ratio of the plurality of openings to the volume sum of the plurality of openings, the plurality of closed holes, and the solid portion is 0% or more and 50% or less.
前記有機材料を炭化させて炭化物を得る工程と、
前記炭化物を粉砕する工程と
をさらに包含し、
前記有機材料を熱処理する工程では、前記粉砕した炭化物の熱処理を行う、請求項6から10のいずれかに記載のナトリウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法。 Before the step of heat-treating the organic material,
Carbonizing the organic material to obtain a carbide;
And crushing the carbide.
The method for producing a negative electrode active material for a sodium ion secondary battery according to any one of claims 6 to 10 , wherein the pulverized carbide is heat-treated in the step of heat-treating the organic material.
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